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酚醛树脂是使用较广的一类高温烧蚀材料,广泛应用在飞行器再入过程热防护中,其热解速率常数是研究高速飞行器烧蚀流场的重要物理化学参数,气相热解初产物分布是建立烧蚀流场高温气相化学反应动力学模型的基础。传统的热解实验是在较小的升温速率下进行,传热的特征时间远大于热解反应的特征时间。再入过程中飞行器表面烧蚀层的升温速率远大于常规的热重实验,采用快速升温的激波管实验研究酚醛树脂热解,有助于认识再入过程中的真实烧蚀过程。
本文采用单脉冲化学激波管研究酚醛树脂在1200K~1800K高温范围内的热解特性。在色谱法分析主要热解碳氢化合物的基础上增加了质谱分析方法,研究了气相热解产物中色谱法分析困难的H2、CO、CO2、H2O无机物随温度的分布规律。通过标准气体标定质谱峰和以Ar为内标的方法完成了对气相热解产物中H2、CO、CO2、H2O和C2H2的质谱定量分析。结合已有的色谱分析结果得到酚醛树脂高温热解的气相产物主要有C2H2、H2、H2O、CO、CH4、C2H4、C6H6和C6H5CH3,其中CO、H2、H2O、C2H2合计比重高达80%以上。在包括了所有热解产物计算酚醛树脂热解总量后得到了酚醛树脂高温热解速率常数与温度的关系。温度1400K将酚醛树脂热解分为高温和低温区,分别表现出不同的热解速率常数与温度的关系:1200K~1400K,k=3.44×102 exp[-20730/(R0T)] sec-1;1400K~1800K,k=1.07×104exp[-81030/(R0T)] sec-1。在温度1400K,酚醛树脂中苯环的开环反应这一热解通道被激发,热解机制发生了变化。此外,由于现有激波管尺寸较小,不能完全满足碳氢燃料超燃化学动力学研究的需要,因此本文的第二个研究内容是大尺寸高温高密度激波管的设计。通过缝合运行条件计算,设计高压段长6m,低压段长3m,5区实验时间达15ms以上。通过强度计算,设计管壁厚10.5mm,连接法兰厚30mm,实验压力达50atm。